CN104901289B - 一种自动监测运行故障的电路保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种自动监测运行故障的电路保护装置，包括接地故障保护单元和自我故障监测单元，接地故障保护单元实现对交流电源供电回路及用电器上发生的接地故障的检测和防护功能。自我故障监测单元采用二个延迟电路实现通电初期的故障监测和周期性的定时故障监测功能。接地故障保护电路和自我故障监测单元分时工作，实现不断电自我故障监测。自我故障监测单元与接地故障保护单元之间采取高阻抗隔离措施，自我故障监测单元中的任一元件发生故障均不会降低接地故障保护单元的安全保护能力。

Description

一种自动监测运行故障的电路保护装置
技术领域
本发明属于电路保护技术领域，尤其涉及一种自动监测运行故障的电路保护装置，尤指剩余电流动作保护装置或接地故障电路中断装置，该保护性电路中断装置能自动监测自身工作状况，并在自身发生运行故障时发出警示信号。
背景技术
剩余电流动作保护装置，或接地故障电路中断装置，用于检测由电网电源供电的电器、仪器、装置、设备、电气***等用电器及供电线路接地故障电流，当该接地故障电流超过规定的限值时，电路保护装置将自动切断电源，从而达到保护人身、财产安全的目的。在实际使用中，剩余电流动作保护装置，或接地故障电路中断装置的接地故障检测电路常常会局部或全部失效，导致接地故障电路中断装置的保护功能失效，而此时使用者并不知晓，存在安全隐患。
为了解决上述问题，一些剩余电流动作保护装置，按照IEC 61008-1、IEC 61009-1、GB 6829.1等标准设计，设置了一个测试按钮，要求使用者定期、每月一次手动操作该按钮，以测试电路保护装置能否正常工作。这一方面增加了使用者的工作负担，再者，这种定期检测必须切断用户的供电电源线路，对用户造成不便,第三，如果用户没有进行定期检测，或者电路保护装置在两次定期检测间隔(如一个月)内发生故障，而用户不能及时发现电路保护装置已无保护能力，同样存在安全隐患。
为了解决上述问题，一些接地故障电路中断装置，按照UL943标准设计，已尝试设置一个自我故障监测单元，以定期诊断接地故障电路中断装置的工作状况。但是，目前，这些自我故障监测装置有的因其电路及结构过于复杂，导致制造难度增大、产品成本过高或实用性较低，有的因增加了自动监测电路而降低了电路保护装置原有保护功能的可靠性，仍然存在安全隐患。
发明内容
本发明是CN101295609B专利的延伸，提供一种自动监测运行故障的电路保护装置。CN101295609B专利所述的内容将被引用于本专利。本发明所要解决的一个技术问题是为所述保护性电路中断装置提供一种通电初期实施自我故障监测的电路。本发明所要解决的另一个技术问题是为所述保护性电路中断装置提供一种定时自我故障监测的电路。本发明所要解决的另一个技术问题是为所述保护性电路中断装置提供一种不断电自我故障监测的电路。本发明所要解决的另一个技术问题是为所述保护性电路中断装置提供一个不降低保护性电路中断装置的安全保护能力的自动故障监测电路。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种自动监测运行故障的电路保护装置，所述电路保护装置包括接地故障保护单元1和自我故障监测单元2，其中接地故障保护单元1实现接地故障保护功能；其中自我故障监测单元2自动监测接地故障保护单元1的运行状况，实现自我故障监测功能。所述接地故障保护单元1包括接地故障检测电路101、交流电源通道102和电磁驱动电路104，所述接地故障检测电路101用于检测交流电源通道102上产生的接地故障电流，驱动所述电磁驱动电路104动作，断开或接通所述交流电源通道102的交流电源；所述自我故障监测单元2包括自动测试电路201、测控电路202和警示电路203，所述自动测试电路201在测控电路202的控制下，向接地故障保护单元1发出用于自我故障监测的接地故障电流，测控电路202监测来自接地故障保护单元1的故障状态反馈信息，判定接地故障保护单元1的运行状况，并通过警示电路203发出警告信息。
其中，所述接地故障检测电路101包括接地故障电流传感器150、中性线重复接地传感器160、第一直流电源180和接地故障检测芯片170，该接地故障检测芯片170用于检测接地故障电流传感器150和中性线重复接地传感器160传达的接地故障信号，并输出脱扣触发信号触发所述电磁驱动电路104工作；所述第一直流电源180用于连接交流电源输入端，产生直流电源为所述接地故障检测芯片170供电，该第一直流电源180的负极作为所述电路保护装置的内部逻辑地GND；
所述交流电源通道102包括用于连接交流电源的第一和第二交流电源端子(T1、T2)；用于连接负载的一组负载端子(26、27)或/和插座面板(34A/34B)；以及用于接通或断开第一和第二交流电源端子(T1、T2)与负载端子(26、27)、或/和插座面板(34A/34B)之间电气通道的磁力开关88；所述第一和第二交流电源端子(T1、T2)通过交流电源导体(91、92)连接所述磁力开关88的动触头，所述负载端子(26、27)或/和插座面板(34A/34B)连接所述磁力开关88的静触头；
所述电磁驱动电路104，包括二极管143、脱扣线圈142、可控硅SCR141、电阻146、电容147和整流二极管188，所述二极管143的正极连接第一交流电源端子T1，该二极管143的负极经脱扣线圈142与可控硅SCR141的阳极连接，该可控硅SCR141的阴极与GND连接，整流二极管188的正极与GND连接，整流二极管188的负极与第二交流电源端子T2连接，所述可控硅SCR141的控制极经电阻146与接地故障检测芯片170的输出端连接，所述电容147连接在所述可控硅SCR141的控制极与GND之间，所述脱扣线圈142用于磁力驱动所述磁力开关88。
进一步地，所述接地故障保护单元1还包括人工测试电路103，所述人工测试电路103用于人工触发在交流电源通道102上产生一个接地故障电流，所述人工测试电路103包括依次连接的接地故障测试开关35和电阻131，所述人工测试电路103连接在所述第一和第二交流电源端子(T1、T2)之间。
本发明所述自动测试电路201包括接地故障电阻215、整流二极管189和自检三极管211，其中所述自检三极管211的集电极经所述接地故障电阻215与已穿过所述中性线重复接地传感器160和所述接地故障电流传感器150的所述交流电源导体92连接，该交流电源导体92与所述第二交流电源端子T2连接，该自检三极管211的发射极经整流二极管189后与所述第一交流电源端子T1连接；
所述测控电路202包括：第一故障信号输入支路240，用于实时传输所述脱扣线圈142的状态信息；第二故障信号输入支路250，用于定时传输所述接地故障检测电路101和所述可控硅SCR141的运行状况信息；监控芯片263，用于实时接收并监测第一故障信号输入支路240和第二故障信号输入支路250的输出信号，定时启动自我故障监测过程，判断所述接地故障保护单元1的运行状况，并向所述警示电路203发出运行状况信息；第二直流电源270，它的输出V2用于给所述自我故障监测单元2提供直流电源，该第二直流电源270的负极与GND连接。
进一步地，所述第一故障信号输入支路240，它的输入端被接在所述可控硅SCR141的阳极与所述脱扣线圈142之间，它的输出电压VB1被接到所述监控芯片263，该第一故障信号输入支路240中包括至少一个电容242，交流电源经二极管143和脱扣线圈142，再经电阻241，给电容242充电，使电容242上的电压上升，从而使所述VB1上升；所述第一故障信号输入支路240构成一个延迟电路，当所述二极管143和所述脱扣线圈142无故障时，所述VB1将在一个设定的时间TR1，从0V上升至大于一个设定的参考电压VH1；当二极管(143)和/或脱扣线圈142断路时，所述VB1将在一个设定的时间，下降至小于一个设定的参考电压VL1，其中VH1小于所述V2，VL1小于或等于VH1；
所述第二故障信号输入支路250，它的输入端连接在所述可控硅SCR141的阳极上，它的输出电压VB2被接到所述监控芯片263，该第二故障信号输入支路250包括有电容252，由所述第二直流电源270经电阻253，给电容252提供充电电流，和/或由监控芯片263经二极管268，给电容252提供充电电流，使电容252上的电压上升，从而使所述VB2上升；当可控硅SCR141导通时，电容252上的电荷经二极管251被可控硅SCR141释放，从而使所述VB2下降；所述第二故障信号输入支路250构成另一个延迟电路，当所述可控硅SCR141截止时，所述VB2将上升至大于一个设定的参考电压VH2；当可控硅SCR141导通时，所述VB2将下降至小于一个设定的参考电压VL2，其中VH2小于所述V2，VL2小于或等于VH2。
进一步地，所述监控芯片263监测所述VB1，并控制所述电容252的充电电流，当所述VB1大于所述VH1时，或在所述VB1从大于VH1下降至大于或等于所述VL1的过程中，使电容252处于低速充电过程，从而使所述VB2在一个设定的时间TR21，从小于所述VL2缓慢上升至大于所述VH2；当所述VB1小于VL1时，或在所述VB1从小于VL1上升至小于或等于VH1的过程中，使电容252处于高速充电过程，从而使所述VB2在一个设定的时间TR22，TR22小于TR21，从小于VL2快速上升至大于VH2；
所述监控芯片263的输出经电阻218与所述自检三极管211的基极连接，当所述VB2大于所述VH2时，或在所述VB2从大于VH2逐渐下降至大于或等于所述VL2的过程中，该监控芯片263的输出VOUT为高电平，从而使自检三极管211导通；当所述VB2小于VL2时，或在VB2从小于VL2上升至小于或等于VH2的过程中，该监控芯片263的输出VOUT为低电平，所述自检三极管211截止；
当所述监控芯片263的输出VOUT由低电平转为高电平时，所述测控电路202启动一次自我故障监测过程，在该自我故障监测过程中，所述接地故障检测电路101触发所述可控硅SCR141导通，所述VB2从大于所述VH2下降至小于所述VL2，所述监控芯片263的输出VOUT由高电平返回低电平，结束本次自我故障监测过程。
进一步地，在通电初期，所述测控电路202在设定时间TR1内，每隔所述的时间TR22，实施一次或多次自我故障监测过程，当所述接地故障保护单元1无故障时，该测控电路202发出“***正常”的提示信息，使所述警示电路203发出一次或多次闪烁光。
或，所述测控电路202定时实施一次或多次的自我故障监测过程，该定时时间等于所述的时间TR21，当所述接地故障保护单元1无故障时，该测控电路202在每一次自我故障监测过程中，发出“***正常”的提示信息，使所述警示电路203发出一次闪烁光。
上述自我故障监测过程，其一是通电初期的自我监测，它是一种高频度自我监测过程，上电立即执行，并且仅在上电初期的短时间TR1内执行，在该TR1时间内执行一次或多次自我故障监测，二次自我监测过程相隔TR22时间；其二是正常工作期间的定时自我监测，它是一种低频度自我监测过程，重复且每隔一定的时间执行一次自我监测过程，相隔TR21时间，TR21比TR22大得多。当接地故障保护单元发生故障时，立即退出低频度定时自我监测，进入高频度自我监测过程。
进一步地，在所述的自我故障监测过程中，当因所述接地故障检测电路101和/或所述可控硅SCR141出现故障，而导致可控硅SCR141不能导通时，自我故障监测过程将不能正常结束，该测控电路202发出“***故障”的警告信息，使所述警示电路203发出持续的红色光，或快速闪烁光。
当所述脱扣线圈142断路时，该测控电路202将持续，每隔所述的时间TR22，实施一次所述的自我故障监测过程，并发出“***故障”的警告信息，使所述警示电路203连续发出快速闪烁的红色光。
当发生所述可控硅SCR141的阳极对地短路时，该测控电路202将无法定时启动所述的自我故障监测过程，此时，将导致警示电路203未能定时发出闪烁光，或使所述警示电路203发出快速闪烁光，警告已发生“***故障”。
本发明所述第二故障信号输入支路250中的二极管251在电路中起单向导通作用，当其正向导通时为释放所述电容252内的电荷提供电气通道，当其反向截止时实现所述脱扣线圈142与所述第二接地故障信号输入支路250之间的高阻抗隔离；所述第一故障信号输入支路240的电阻241的总阻值大于1MΩ，用于有效实现接地故障保护单元1与自我故障监测单元2之间的高阻抗隔离。
本发明所述第一交流电源端子T1与交流电源的相线连接，所述第二交流电源端子T2与交流电源的中性线连接；或者所述第一交流电源端子T1与交流电源的中性线连接，所述第二交流电源端子T2与交流电源的相线连接。
所述交流电源的波形为周期交变波，每一个交变波包括二个半波：
交流电源的第一半波，在该第一半波期间，第一交流电源端子T1的电势高于第二交流电源端子T2的电势；和
交流电源的第二半波，在该第二半波期间，第一交流电源端子T1的电势低于第二交流电源端子T2的电势。
当交流电源的相线被接在所述第一交流电源端子T1，交流电源的中性线被接在所述第二交流电源端子T2上时，所述交流电源的第一半波为交流电源的正半波；当交流电源的相线被接在所述第二交流电源端子T2，交流电源的中性线被接在所述第一交流电源端子T1上时，所述交流电源的第一半波为交流电源的负半波；所述交流电源的第二半波与所述的交流电源的第一半波处在交流电源周期波的二个不同的半波期间。
本发明所述电磁驱动电路104是一个单向导通电路，在所述交流电源的第一半波期间，当所述可控硅SCR141导通时，所述脱扣线圈142中才能产生足够大的脱扣电流，从而使所述磁力开关88断开，实现接地故障保护功能；在所述交流电源的第二半波期间，无论所述可控硅SCR141是否导通，所述脱扣线圈142中都不会产生脱扣电流，所述磁力开关88不会动作。
本发明所述自动测试电路201是单向导通电路，在所述交流电源的第二半波期间，当所述自检三极管211导通时，该自动测试电路201才能在所述交流电源通道102中产生一个用于自我故障监测的接地故障电流；在所述交流电源的第一半波期间，无论所述自检三极管211是否导通，该自动测试电路201都处于截止状态，因此不会产生接地故障电流。
本发明所述测控电路202在交流电源周期波的任何时间输出高电平使所述自检三极管211导通，无需选相，实现不断电自我故障监测功能。
本发明提出的自动监测运行故障的电路保护装置，接地故障保护单元实现对交流电源供电回路及用电器上发生的接地故障的检测和防护功能。自我故障监测单元采用二个延迟电路实现通电初期的故障监测和周期性的定时故障监测功能。接地故障保护电路和自我故障监测单元分时工作，实现不断电自我故障监测。自我故障监测单元与接地故障保护单元之间采取高阻抗隔离措施，自我故障监测单元中的任一元件发生故障均不会降低接地故障保护单元的安全保护能力。电路简单、经济、高效，解决了人工监测带来的不便及潜在安全隐患。
附图说明
图1是本发明实施例的结构框架图；
图2是交流电源接线的一种实施例示意图；
图3是交流电源接线的另一种实施例示意图；
图4是本发明一种实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
图1是本发明实施例一种自动监测运行故障的电路保护装置的结构框架图。该电路保护装置包括一个接地故障保护单元1和一个自我故障监测单元2。
其中，接地故障保护单元1包括接地故障检测电路101、交流电源通道102、人工测试电路103、电磁驱动电路104。接地故障检测电路101、交流电源通道102和电磁驱动电路104组成一个能够独立运行的接地故障保护电路，人工测试电路103模拟一个接地故障电流，用于测试接地故障保护功能。
自我故障监测单元2包括自动测试电路201、测控电路202、警示电路203。自我故障监测单元2和接地故障保护单元1构成一个闭环测控***，接地故障保护单元1为自我故障监测单元2的监测对象，以实现自我故障监测功能。其过程是：自动测试电路201在测控电路202的控制下，向接地故障保护单元1发出用于自我故障监测的接地故障电流，测控电路202监测来自接地故障保护单元1的故障状态反馈信息，判定接地故障保护单元1的运行状况，并通过警示电路203发出警告信息。
图2是一种交流电源接线图，展示图1所示交流电源通道102中交流电源的一种接线方式。其中交流电源的相线L被接在交流电源端子T1上，交流电源的中性线N被接在交流电源端子T2上。
图3是另一种交流电源接线图，展示图1所示交流电源通道102中交流电源的另一种接线方式。其中交流电源的相线L被接在交流电源端子T2上，交流电源的中性线N被接在交流电源端子T1上。
如图2、图3所示，交流电源被接在所述交流电源端子T1与所述交流电源端子T2之间。交流电源的波形为周期波，如正弦波，每一个周期波包括二个半波：
一个交流电源的第一半波，当交流电源被接在所述交流电源端子T1与所述交流电源端子T2之间时，在该第一半波期间，交流电源端子T1的电势高于交流电源端子T2的电势，即在交流电源端子T1与交流电源端子T2之间形成一个正向电压；和
一个交流电源的第二半波，当交流电源被接在所述交流电源端子T1与所述交流电源端子T2之间时，在该第二半波期间，交流电源端子T1的电势低于交流电源端子T2的电势，即在交流电源端子T1与交流电源端子T2之间形成一个反向电压。
由于交流电源通道中交流电源的接线方式不同，上述交流电源的第一半波可以是交流电源的正半波或负半波：当交流电源的相线被接在交流电源端子T1，交流电源的中性线被接在述交流电源端子T2上时，交流电源的第一半波为交流电源的正半波(此时，相线的电势高于中性线的电势)；当交流电源的相线被接在交流电源端子T2，交流电源的中性线被接在交流电源端子T1上时，交流电源的第一半波为交流电源的负半波(此时，相线的电势低于中性线的电势)。同时，交流电源的第二半波与交流电源的第一半波处在交流电源周期波的二个不同的半波期间，交流电源的第二半波可以是交流电源的负半波或正半波。
图4是本实施例的电路原理图，其中交流电源的接线方式如图3所示。接地故障检测电路101包括接地故障电流传感器150、中性线重复接地传感器160、直流电源180和接地故障检测芯片170及***电路。接地故障电流传感器150和中性线重复接地传感器160的输出与接地故障检测芯片170连接。
直流电源180包括电阻184、整流桥堆181、电阻182和电容183，直流电源180的输出正极V1(图4中185)与接地故障芯片170连接(图4中175)，直流电源180的负极作为接地故障保护单元1和自我故障监测单元2内部的逻辑地GND。
交流电源通道102包括交流电源端子T1和交流电源端子T2、负载端子26和负载端子27、插座面板34A和插座面板34B、交流电源导体91和交流电源导体92和一个磁力开关88。交流电源导体91的一端与交流电源端子T1连接，交流电源导体91的另一端穿过接地故障电流传感器150和中性线重复接地传感器160后与磁力开关88的动触头98A连接；交流电源导体92的一端与交流电源端子T2连接，交流电源导体92的另一端穿过接地故障电流传感器150和中性线重复接地传感器160后与磁力开关88的动触头99A连接；磁力开关88的静触头(98B、98C和99B、99C)分别与负载端子(26和27)和插座面板(34A/34B)的接线端子连接。当磁力开关88闭合时，交流电源经磁力开关88被连接到负载端子和插座面板上；当磁力开关88分断时，交流电源端子与负载端子和插座面板之间处于断开状态。
电磁驱动电路104包括二极管143、脱扣线圈142、可控硅SCR141、电阻146、电容147和整流桥堆181中的一个二极管188。交流电源端子T1与二极管143的正极连接，该二极管143的负极经脱扣线圈142与可控硅SCR141的阳极连接，该可控硅SCR141的阴极与GND连接，整流桥堆181中的二极管188的正极与GND连接，二极管188的负极与交流电源端子T2连接。可控硅SCR141的控制极经电阻146与接地故障检测芯片170的输出端177连接。因二极管143和二极管188的单向导通作用，使得该电磁驱动电路的电路回路只能单向导通。其过程是：当接地故障检测芯片170的输出端177为高电平时，可控硅SCR141导通，在交流电源的第一个半波期间，二极管143和二极管188导通，脱扣线圈142获得脱扣电流，使磁力开关88断开；在交流电源的第二个半波期间，二极管143和二极管188截止，脱扣线圈142得不到脱扣电流，磁力开关88无动作。
人工测试电路103包括依次连接的接地故障测试开关35和电阻131，一端与交流电源端子T1连接，另一端连接交流电源端子T2。
接地故障保护单元1依靠接地故障检测电路101、电磁驱动电路104及磁力开关88实现接地故障保护功能。其过程是：当人工接通接地故障测试开关35，或当负载线路及用电器发生漏电、人身触电等接地故障时，在交流电源通道102上产生一个接地故障电流，当交流电源通道102上的接地故障电流超过脱扣动作电流值时，接地故障检测芯片170的输出端177为高电平，经电阻146使可控硅SCR141导通，如前所述，在交流电源的第一个半波期间(此时二极管143和二极管(188)导通)，脱扣线圈142及磁力开关88工作，使交流电源通道102中的磁力开关88分断，从而切断电源输入端子(24、25)与负载端子(26、27)和插座面板(34A/34B)之间的连接通道，实现接地故障保护功能。
测控电路202包括直流电源270、故障信号输入支路240、故障信号输入支路250、二极管268、监控芯片263和辅助电路(电阻261、电阻262)。
辅助电路向监控芯片263输出VIH和VIL，监控芯片263根据VIH和VIL产生内部参考电压VH1、VL1、VH2和VL2。其中，VH1小于V2，VL1小于或等于VH1；VH2小于V2，VL2小于或等于VH2。VH1、VL1、VH2和VL2也可以直接由监控芯片263内部产生，此时可省去辅助电路。
直流电源270包括电阻271、二极管272、电容273和稳压管274。它的输出的正极V2(图4中275)被接到自我故障监测单元2中相应的电压端子V2上，它的输出的负极与GND连接。
故障信号输入支路240包括电阻241、电阻243和电容242。电容242的一端与监控芯片263的IN1引脚(图4中266)连接，电容242的另一端与GND连接，可控硅SCR141的阳极经电阻241与监控芯片263的IN1引脚连接，电阻243与电容242并联相接。当脱扣线圈142和二极管143无故障时，交流电源经二极管143、脱扣线圈142和电阻241，给电容242充电，使电容242上的电压VB1在一个设定的时间TR1，如5S内，从0V上升至大于VIH；当脱扣线圈142和/或二极管143断路时，VB1将在一个设定的时间，如1S内，下降至低于VIL。监控芯片263通过监测VB1，以判断脱扣线圈142和二极管143是否断路。
故障信号输入支路250包括二极管251、电阻253和电容252。电容252的一端与监控芯片263的IN2引脚(图4中267)连接，电容252的另一端与GND连接，直流电源275经电阻253与监控芯片263的IN2引脚连接，二极管251的负极与可控硅SCR141的阳极连接，二极管251的正极与监控芯片263的IN2引脚连接。由直流电源275经电阻253给电容252提供充电电流，和/或由监控芯片263的引脚VS3经二极管268，和/或由监控芯片的其他引脚，给电容252提供充电电流。可控硅SCR141经二极管251，释放该电容252内的电荷。当可控硅SCR141截止时，电容252上的电压VB2将上升至大于VIH；当可控硅SCR141导通时，VB2将下降至低于VIL，直至流经可控硅SCR141的电流小于最小维持电流值，可控硅SCR141截止。监控芯片263通过监测VB2，以判断接地故障检测电路101和电磁驱动电路104的故障状况。
所述监控芯片263监测电容242上的电压VB1，并控制电容252的充电电流，当VB1值大于VIH时，或在VB1值从大于VIH下降至大于或等于VIL的过程中，由故障信号输入支路250和/或监控芯片263构成的充电电路，如前所述，给电容252提供较小的充电电流I1，电容252处于低速充电过程，从而使电容252上的电压VB2在一个设定的时间TR21，如60S内，从低于VIL上升至高于VIH；当VB1值小于所述VIL时，或在VB1从小于VIL逐渐上升至小于或等于VIH的过程中，由故障信号输入支路250内部构成的充电电路和/或监控芯片263引脚提供的充电电路，如前所述，给电容252提供较大的充电电流I2，电容252处于高速充电过程，从而使VB2在一个设定的时间TR22，如1S内，从低于VIL上升至高于VIH。其中，TR22小于TR21，I2大于I1。
所述监控芯片263监测电容252上的电压VB2，当VB2值小于VIL时，或在VB2值从小于VIL逐渐上升至小于或等于VIH的过程中，该监控芯片263的输出VOUT为低电平，当VB2值大于VIH时，或在VB2值从大于VIH逐渐下降至大于或等于VIL的过程中，该监控芯片263的输出VOUT(图4中265)为高电平。
所述自动测试电路201包括电阻218、自检三极管211、接地故障电阻215、整流桥堆181内的二极管189和电阻184组成。自检三极管211的基极经电阻218与监控芯片263的输出VOUT连接。自检三极管211的集电极经接地故障电阻215与已经穿过接地故障电流传感器150和中性线重复接地传感器160的交流电源导体92连接。自检三极管211的发射极与GND连接。自检三极管211的发射极经一个二极管189和一个电阻184与交流电源端子T1连接。
如CN101295609B专利所述电路在交流电源的全周期中，包括正半波期间和负半波期间，无需选相，随机产生用于自我故障监测的接地故障电流，即，在交流电源的正半波期间发出用于自我故障监测的接地故障电流，或在交流电源的负半波期间发出用于自我故障监测的接地故障电流。
本发明电路在CN101295609B专利的基础上进行优化：在交流电源的全周期的任何时间，无需选相，监控芯片263通过电阻218使自检三极管211导通；同时，在自动测试电路201中设置至少一个二极管189，利用二极管189的单向导通作用，使得自动测试电路201仅在交流电源的第二半波期间产生用于自我故障监测的接地故障电流。
本发明设计的保护性电路中断装置能实现不断电自我故障监测功能。其方法是：接地故障保护单元1与自我故障监测单元2分时工作，使该电磁驱动电路104在交流电源的第一半波期间导通，而在交流电源的第二半波期间截止；同时使该自动测试电路201在交流电源的第二半波期间导通，而在交流电源的第一半波期间截止。其监测过程是：监控芯片263输出高电平使自动测试电路201中的自检三极管211通电，在交流电源的第二半波期间(此时二极管189导通)，自动测试电路201向交流电源通道102发出接地故障电流，使可控硅SCR141导通，此期间，因电磁驱动电路104处于截止状态，不会导致脱扣线圈142及磁力开关88发生脱扣动作，实现不断电自我故障监测功能。
本发明设计将接地故障保护单元1分为二个部分进行故障监测。一是，对接地故障检测电路101和可控硅SCR141进行定时监测。二是，对二极管143和脱扣线圈142进行实时监测。
所述定时监测的过程是：当电容252上的电压VB2从低于VIL上升并且超过VIH时，监控芯片(263)的输出VOUT为高电平(大于2V)，该VOUT使自动测试电路201中的自检三极管211导通，自动测试电路201产生接地故障模拟电流，当接地故障检测电路101和可控硅SCR141及辅助电路无故障时，可控硅SCR141导通，电容252上的电荷经二极管251和可控硅SCR141被快速释放，从而使VB2快速下降至低于VIL，此时，VOUT由高电平转为低电平，自检三极管211截止，接地故障模拟电流消失，可控硅SCR141继续释放电容252上的电荷，直至可控硅SCR141截止，本次定时监测过程结束。上述过程，当接地故障检测电路101和可控硅SCR141及辅助电路无故障时，监控芯片263输出“***正常”的提示信号。上述过程，当接地故障检测电路101和/或可控硅SCR141及辅助电路发生故障，将导致可控硅SCR141不能导通或对地短路故障，当可控硅SCR141不能导通时，VB2将持续保持在大于VIH范围，本次定时监测过程将持续进行(无终点)，监控芯片263输出“***故障”的警告信号；当可控硅SCR141对地短路时，VB2将持续保持在小于VIL范围，自我故障监测单元2将无法实施后续的自我监测，监控芯片263输出“***故障”的警告信号。
本发明设计在通电初期实施一次或多次如上所述的定时监测过程。当交流电源被接至电源端子24和25时，所述VB1在设定的时间，如5S时间内，从0V逐渐上升至小于等于VIH，在此期间，如上所述，电容252处于高速充电过程，使得VB2从低于VIL快速上升至高于VIH，随后实施一次如上所述的定时监测过程，在本次监测过程结束时。随后，监控芯片263继续监测VB1，当VB1仍然低于或等于VIH时，再次重复上述过程，直至VB1大于VIH，结束通电初期监测过程。通电初期监测过程需经历的时间由电容242的充电时间TR1确定，两次监测过程之间的间隔时间由电容252的充电时间TR22确定。
本发明设计在通电初期监测过程之后，或继上一次的定时监测过程之后，电容252处于如上所述的低速充电过程，所述VB2在设定的时间TR21,如60S内，从低于VIL上升至高于VIH，随后实施一次如上所述的定时监测过程，电容252内的电荷被释放，使VB2下降，可控硅SCR141截止，然后再次给电容252充电，如此周而复始。两次定时监测过程之间的间隔时间由电容252的充电时间TR21确定。
本发明设计对脱扣线圈142和二极管143实施实时监测。其过程是：当脱扣线圈142和二极管143无故障时，所述VB1大于VIH，自我故障监测单元2继续按当前时间间隔运行定时监测过程；当脱扣线圈142和/或二极管143发生断路故障时，如上所述，VB1下降至低于VIL，自我故障监测单元2将立即进入与通电初期相同的连续无终止的定时监测过程，监控芯片263向警示电路203发出“***故障”的警告信息。
所述警示电路203接收监控芯片263输出的警示信息，并以声、光等方式提示保护性电路中断装置的运行状态。图4电路中，警示电路203包括一个LED36B，当接地故障保护单元1无故障时，警示电路203中的LED闪烁一次或多次；当接地故障保护单元1出现故障时，警示电路203中的LED连续闪烁或长期点亮，或长期不亮。
本发明设计的自我故障监测单元2与接地故障保护单元1之间采用高阻抗隔离措施，自我故障监测单元2中的任一元件发生故障均不会降低接地故障保护单元1的安全保护能力。其方法是：在故障信号输入支路240中包含至少一个高阻抗电阻，如电阻241，实现故障信号输入支路240与接地故障保护单元1之间的高阻抗隔离；在故障信号输入支路250中包含至少一个单向导通二极管，如二极管251，利用二极管的反向截止特性，实现自我故障监测单元2与接地故障保护单元1高阻抗隔离。
如本技术领域的人所知，本发明的附图和实施例仅为说明本发明的功能、结构和原理而不应当成为对本发明理解上的限值；同时，本发明的目的均已经实现。上述实施例可能在不脱离本发明原理的情况下有所变更，故此，本发明的保护应以权利要求书中所描述的范围为准。

Claims (16)

1.一种自动监测运行故障的电路保护装置，其特征在于，所述电路保护装置包括接地故障保护单元(1)和自我故障监测单元(2)，其中接地故障保护单元(1)实现接地故障保护功能；其中自我故障监测单元(2)自动监测接地故障保护单元(1)的运行状况，实现自我故障监测功能；其中：
所述接地故障保护单元(1)包括接地故障检测电路(101)、交流电源通道(102)和电磁驱动电路(104)，所述接地故障检测电路(101)用于检测交流电源通道(102)上产生的接地故障电流，驱动所述电磁驱动电路(104)动作，断开或接通所述交流电源通道(102)的交流电源；
所述自我故障监测单元(2)包括自动测试电路(201)、测控电路(202)和警示电路(203)，所述自动测试电路(201)在测控电路(202)的控制下，向接地故障保护单元(1)发出用于自我故障监测的接地故障电流，测控电路(202)监测来自接地故障保护单元(1)的故障状态反馈信息，判定接地故障保护单元(1)的运行状况，并通过警示电路(203)发出警告信息；
所述接地故障检测电路(101)包括接地故障电流传感器(150)、中性线重复接地传感器(160)、第一直流电源(180)和接地故障检测芯片(170)，该接地故障检测芯片(170)用于检测接地故障电流传感器(150)和中性线重复接地传感器(160)传达的接地故障信号，并输出脱扣触发信号触发所述电磁驱动电路(104)工作；所述第一直流电源(180)用于连接交流电源输入端，产生直流电源为所述接地故障检测芯片(170)供电，该第一直流电源(180)的负极作为所述电路保护装置的内部逻辑地GND；
所述交流电源通道(102)包括用于连接交流电源的第一和第二交流电源端子(T1、T2)；用于连接负载的一组负载端子(26、27)或/和插座面板(34A/34B)；以及用于接通或断开第一和第二交流电源端子(T1、T2)与负载端子(26、27)、或/和插座面板(34A/34B)之间电气通道的磁力开关(88)；所述第一和第二交流电源端子(T1、T2)通过交流电源导体(91、92)连接所述磁力开关(88)的动触头，所述负载端子(26、27)或/和插座面板(34A/34B)连接所述磁力开关(88)的静触头；
所述电磁驱动电路(104)，包括二极管(143)、脱扣线圈(142)、可控硅SCR(141)、电阻(146)、电容(147)和整流二极管(188)，所述二极管(143)的正极连接第一交流电源端子(T1)，该二极管(143)的负极经脱扣线圈(142)与可控硅SCR(141)的阳极连接，该可控硅SCR(141)的阴极与GND连接，整流二极管(188)的正极与GND连接，整流二极管(188)的负极与第二交流电源端子(T2)连接，所述可控硅SCR(141)的控制极经电阻(146)与接地故障检测芯片(170)的输出端(177)连接，所述电容(147)连接在所述可控硅SCR(141)的控制极与GND之间，所述脱扣线圈(142)用于磁力驱动所述磁力开关(88)；
所述自动测试电路(201)包括接地故障电阻(215)、整流二极管(189)和自检三极管(211)，其中所述自检三极管(211)的集电极经所述接地故障电阻(215)与已穿过所述中性线重复接地传感器(160)和所述接地故障电流传感器(150)的所述交流电源导体(92)连接，该交流电源导体(92)与所述第二交流电源端子(T2)连接，该自检三极管(211)的发射极经整流二极管(189)后与所述第一交流电源端子(T1)连接；
所述测控电路(202)包括：第一故障信号输入支路(240)，用于实时传输所述脱扣线圈(142)的状态信息；第二故障信号输入支路(250)，用于定时传输所述接地故障检测电路(101)和所述可控硅SCR(141)的运行状况信息；监控芯片(263)，用于实时接收并监测第一故障信号输入支路(240)和第二故障信号输入支路(250)的输出信号，定时启动自我故障监测过程，判断所述接地故障保护单元(1)的运行状况，并向所述警示电路(203)发出运行状况信息；第二直流电源(270)，它的输出V2用于给所述自我故障监测单元(2)提供直流电源，该第二直流电源(270)的负极与GND连接。
2.如权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述接地故障保护单元(1)还包括人工测试电路(103)，所述人工测试电路(103)用于人工触发在交流电源通道(102)上产生一个接地故障电流，所述人工测试电路(103)包括依次连接的接地故障测试开关(35)和电阻(131)，所述人工测试电路(103)连接在所述第一和第二交流电源端子(T1、T2)之间。
3.如权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述第一故障信号输入支路(240)，它的输入端被接在所述可控硅SCR(141)的阳极与所述脱扣线圈(142)之间，它的输出电压VB1被接到所述监控芯片(263)，该第一故障信号输入支路(240)中包括至少一个电容(242)，交流电源经二极管(143)和脱扣线圈(142)，再经电阻(241)，给电容(242)充电，使电容(242)上的电压上升，从而使所述VB1上升；
所述第一故障信号输入支路(240)构成一个延迟电路，当所述二极管(143)和所述脱扣线圈(142)无故障时，所述VB1将在一个设定的时间TR1，从0V上升至大于一个设定的参考电压VH1；当二极管(143)和/或脱扣线圈(142)断路时，所述VB1将在一个设定的时间，下降至小于一个设定的参考电压VL1，其中VH1小于所述V2，VL1小于或等于VH1；
所述第二故障信号输入支路(250)，它的输入端连接在所述可控硅SCR(141)的阳极上，它的输出电压VB2被接到所述监控芯片(263)，该第二故障信号输入支路(250)包括有电容(252)，由所述第二直流电源(270)经电阻(253)，给电容(252)提供充电电流，和/或由监控芯片(263)经二极管(268)，给电容(252)提供充电电流，使电容(252)上的电压上升，从而使所述VB2上升；当可控硅SCR(141)导通时，电容(252)上的电荷经二极管(251)被可控硅SCR(141)释放，从而使所述VB2下降；
所述第二故障信号输入支路(250)构成另一个延迟电路，当所述可控硅SCR(141)截止时，所述VB2将上升至大于一个设定的参考电压VH2；当可控硅SCR(141)导通时，所述VB2将下降至小于一个设定的参考电压VL2，其中VH2小于所述V2，VL2小于或等于VH2。
4.如权利要求3所述的电路保护装置，其特征在于，所述监控芯片(263)监测所述VB1，并控制所述电容(252)的充电电流，当所述VB1大于所述VH1时，或在所述VB1从大于VH1下降至大于或等于所述VL1的过程中，使电容(252)处于低速充电过程，从而使所述VB2在一个设定的时间TR21，从小于所述VL2缓慢上升至大于所述VH2；当所述VB1小于VL1时，或在所述VB1从小于VL1上升至小于或等于VH1的过程中，使电容(252)处于高速充电过程，从而使所述VB2在一个设定的时间TR22，TR22小于TR21，从小于VL2快速上升至大于VH2；
所述监控芯片(263)的输出经电阻(218)与所述自检三极管(211)的基极连接，当所述VB2大于所述VH2时，或在所述VB2从大于VH2逐渐下降至大于或等于所述VL2的过程中，该监控芯片(263)的输出VOUT为高电平，从而使自检三极管(211)导通；当所述VB2小于VL2时，或在VB2从小于VL2上升至小于或等于VH2的过程中，该监控芯片(263)的输出VOUT为低电平，所述自检三极管(211)截止；
当所述监控芯片(263)的输出VOUT由低电平转为高电平时，所述测控电路(202)启动一次自我故障监测过程，在该自我故障监测过程中，所述接地故障检测电路(101)触发所述可控硅SCR(141)导通，所述VB2从大于所述VH2下降至小于所述VL2，所述监控芯片(263)的输出VOUT由高电平返回低电平，结束本次自我故障监测过程。
5.如权利要求4所述的电路保护装置，其特征在于，在通电初期，所述测控电路(202)在设定时间TR1内，每隔所述的时间TR22，实施一次或多次自我故障监测过程，当所述接地故障保护单元(1)无故障时，该测控电路(202)发出“***正常”的提示信息，使所述警示电路(203)发出一次或多次闪烁光。
6.如权利要求4所述的电路保护装置，其特征在于，所述测控电路(202)定时实施一次或多次的自我故障监测过程，该定时时间等于所述的时间TR21，当所述接地故障保护单元(1)无故障时，该测控电路(202)在每一次自我故障监测过程中，发出“***正常”的提示信息，使所述警示电路(203)发出一次闪烁光。
7.如权利要求5或6所述的电路保护装置，其特征在于，在所述的自我故障监测过程中，当因所述接地故障检测电路(101)和/或所述可控硅SCR(141)出现故障，而导致可控硅SCR(141)不能导通时，自我故障监测过程将不能正常结束，该测控电路(202)发出“***故障”的警告信息，使所述警示电路(203)发出持续的红色光，或快速闪烁光。
8.如权利要求5所述的电路保护装置，其特征在于，当所述脱扣线圈(142)断路时，该测控电路(202)将持续，每隔所述的时间TR22，实施一次所述的自我故障监测过程，并发出“***故障”的警告信息，使所述警示电路(203)连续发出快速闪烁的红色光。
9.如权利要求5或6所述的电路保护装置，其特征在于，当发生所述可控硅SCR(141)的阳极对地短路时，该测控电路(202)将无法定时启动所述的自我故障监测过程，此时，将导致警示电路(203)未能定时发出闪烁光，或使所述警示电路(203)发出快速闪烁光，警告已发生“***故障”。
10.如权利要求3所述的电路保护装置，其特征在于，所述第二故障信号输入支路(250)中的二极管(251)在电路中起单向导通作用，当其正向导通时为释放所述电容(252)内的电荷提供电气通道，当其反向截止时实现所述脱扣线圈(142)与所述第二故障信号输入支路(250)之间的高阻抗隔离；所述第一故障信号输入支路(240)的电阻(241)的总阻值大于1MΩ，用于有效实现接地故障保护单元(1)与自我故障监测单元(2)之间的高阻抗隔离。
11.如权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述第一交流电源端子(T1)与交流电源的相线连接，所述第二交流电源端子(T2)与交流电源的中性线连接；或者所述第一交流电源端子(T1)与交流电源的中性线连接，所述第二交流电源端子(T2)与交流电源的相线连接。
12.如权利要求11所述的电路保护装置，其特征在于，所述交流电源的波形为周期交变波，每一个交变波包括二个半波：
交流电源的第一半波，在该第一半波期间，第一交流电源端子(T1)的电势高于第二交流电源端子(T2)的电势；和
交流电源的第二半波，在该第二半波期间，第一交流电源端子(T1)的电势低于第二交流电源端子(T2)的电势。
13.如权利要求12所述的电路保护装置，其特征在于，当交流电源的相线被接在所述第一交流电源端子(T1)，交流电源的中性线被接在所述第二交流电源端子(T2)上时，所述交流电源的第一半波为交流电源的正半波；当交流电源的相线被接在所述第二交流电源端子(T2)，交流电源的中性线被接在所述第一交流电源端子(T1)上时，所述交流电源的第一半波为交流电源的负半波；所述交流电源的第二半波与所述的交流电源的第一半波处在交流电源周期波的二个不同的半波期间。
14.如权利要求13所述的电路保护装置，其特征在于，所述电磁驱动电路(104)是一个单向导通电路，在所述交流电源的第一半波期间，当所述可控硅SCR(141)导通时，所述脱扣线圈(142)中才能产生足够大的脱扣电流，从而使所述磁力开关(88)断开，实现接地故障保护功能；在所述交流电源的第二半波期间，无论所述可控硅SCR(141)是否导通，所述脱扣线圈(142)中都不会产生脱扣电流，所述磁力开关(88)不会动作。
15.如权利要求13所述的电路保护装置，其特征在于，所述自动测试电路(201)是单向导通电路，在所述交流电源的第二半波期间，当所述自检三极管(211)导通时，该自动测试电路(201)才能在所述交流电源通道(102)中产生一个用于自我故障监测的接地故障电流；在所述交流电源的第一半波期间，无论所述自检三极管(211)是否导通，该自动测试电路(201)都处于截止状态，因此不会产生接地故障电流。
16.如权利要求13所述的电路保护装置，其特征在于，所述测控电路(202)在交流电源周期波的任何时间输出高电平使所述自检三极管(211)导通，无需选相，实现不断电自我故障监测功能。
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